DE4103145A1

DE4103145A1 - Ultraschallsonde

Info

Publication number: DE4103145A1
Application number: DE4103145A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Nattermann
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1991-02-02
Filing date: 1991-02-02
Publication date: 1992-08-13
Also published as: US5294861A; DE4103145C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsonde nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Ultraschallsonden finden beispielsweise ihre Anwendung in der medizinischen Sonographie.

Es sind sogenannte Ultraschall-Impulsechoverfahren bekannt, bei welchen Ultraschall-Impulse in Gewebe eingestrahlt und die von Gewebe reflektierten Signale registriert werden, um z. B. aus dem Zeitverlauf der reflektierten Signale auf die Tiefenstruktur des Gewebes zu schließen. Bei den sogenannten Ultraschall-Doppelverfahren wird die Verschiebung der Frequenz des reflektierten Signals bzgl. des eingestrahlten gemessen, um daraus z. B. die Geschwindigkeit der reflektierenden Struktur zu bestimmen. Man verwendet meistens Ultraschall-Impulse mit einer Trägerfrequenz f₀, einer Impulsdauer T_p und einer Wiederholrate f_w (Impulse pro Sekunde).

Um bei diesen Verfahren eine hohe Ortsauflösung zu erreichen, ist eine kurze Schallwellenlänge λ₀ bzw. eine hohe Trägerfrequenz f₀ erforderlich (λ₀=c₀/f₀; λ₀: mittlere Schallwellenlänge, c₀: mittlere Schallgeschwindigkeit des Mediums für den angeregten Wellentyp). Andererseits darf die Trägerfrequenz f₀ nicht zu hoch sein, weil sonst die Dämpfung der Schallwellen durch Absorption oder Streuung zu stark wird: Für viele Medien nimmt in den relevanten Frequenzbereichen die Ultraschall-Absorption näherungsweise mit der zweiten und die Streuung sogar mit der vierten Potenz der Frequenz zu. In der medizinischen Sonographie ist man deshalb im allgemeinen auf den Frequenzbereich von wenigen MHz eingeschränkt. Für Untersuchungen, bei denen nur eine geringe Eindringtiefe erforderlich ist, kann die Frequenz jedoch unter Umständen bis zu 20 MHz betragen, z. B. G. S. Werner et al., "Intravaskuläre Ultraschalldiagnostik", Dtsch. med. Wschr. 115, 1259 (1990).

Bei den Impulsechoverfahren ist es günstig, Impulse mit kurzer Dauer T_p zu verwenden, weil z. B. die Tiefenschärfe der Sonde auch durch die räumliche Impulslänge L_p ≈ c₀ · T_p beschränkt wird. Andererseits ist es nicht sinnvoll, Impulse mit einer Dauer T_p < 1/f₀ zu verwenden, weil man dann keinen Zugewinn mehr an räumlicher Auflösung erhält.

Die Dopplerverfahren erfordern im allgemeinen eine geringe Ortsauflösung, dafür kommt es auf eine präzise Ausmessung von Geschwindigkeiten an. Als Faustformel gilt, daß die Meßgenauigkeit wie Δc ≈ c₀ · Δ f/f₀ skaliert, wobei die Frequenzbreite Δ f der Schallimpulse reziprok zur Impulsdauer ist, Δ f ≈ 1/T_p und Δ c ≈ c₀/(T_p · f₀): hohe Frequenzen und lange Impulse können also günstig sein. Im Extremfall werden sogar Dauerstrichsignale mit T_p »1/f₀ verwendet, eine Ortsauflösung entsteht dann nur durch die Richtwirkung des Schallkopfes.

Der Schallkopf einer Ultraschallsonde besteht in der Regel aus einem abbildenden System, dem sog. Ultraschallrichtelement und direkt an diesem angebrachten elektromechanischen Ultraschall-Wandlern. Im einfachsten Fall weist ein Schallkopf ein im wesentlichen homogenes Richtelement auf, dessen typ. Querabmessungen, durch D gekennzeichnet, groß sind im Vergleich zur mittleren Schallwellenlänge im zu untersuchenden Gewebe: D < λ₀. Dann verfügt das Richtelement über eine Richtcharakteristik, d. h. die abgestrahlte Ultraschallenergie ist auf einen engen Bereich um seine Achse verteilt und er empfängt im wesentlichen nur Schall, der von einem engen Bereich um seine Achse ausgeht. Ist das Richtelement z. B. ein Kreiskolbenstrahler, beträgt der volle Öffnungswinkel ("3 dB-Breite") für die "Hauptkeule" im Bogenmaß ΔR ≈ 0,52 · (λ₀/D). Eine Beschreibung des Kreiskolbenstrahlers findet man z. B. bei H. Kuttruff, "Physik und Technik des Ultraschalls", S. Hirzel Verlag, 1988 (ISBN: 3-7776-0427-5). Es ist bekannt, wie man die Richtcharakteristik von Ultraschall-Richtelementen wie den Kreiskolbenstrahler verbessert, z. B. durch Verwendung fokussierender Elemente. Damit lassen sich entlang der Achse des Richtelementes Bereiche für die Ultraschalluntersuchung hervorheben (Bereiche erhöhter Ultraschallintensität bei der Abstrahlung bzw. beim Empfang), um diese z. B. mit Dopplerverfahren mit langen Impulsen untersuchen zu können.

Die Untersuchung räumlicher Strukturen erfordert ein Scannen in ein oder zwei Richtungen. Im einfachsten Fall wird dazu ein einzelner Schallkopf entlang der Körperoberfläche geführt, dessen Meßergebnisse zu einem zweidimensionalen Bild (Bahn und Tiefe) zusammengefügt werden. Eine Übersicht über Scanverfahren findet man in R. Millner (Hrsg.), "Ultraschalltechnik- Grundlagen und Anwendungen", Physik-Verlag Weinheim, 1987 (ISBN: 3-87664- 106-3).

Perkutane Untersuchungen tiefer Strukturen haben unter anderem den Nachteil, daß die Ultraschallwellen am Untersuchungsort zu stark gedämpft sind, wodurch die Ortsauflösung reduziert wird. Weiter können Ultraschallwellen nur schlecht Knochen oder Lungengewebe durchdringen. Hier ist es bekannt, Ultraschall-Richtelemente und Wandler am distalen Ende von Sondenrohren anzubringen. Diese in der Regel flexiblen Sondenrohre oder Katheter kann man in den Patienten einführen und die Untersuchung intrakorporal durchführen.

In der Medizin werden solche Ultraschallsonden mit einer Vielzahl von Behandlungsgeräten kombiniert. Die US-PS 48 87 605 beschreibt z. B. einen Katheter für die Laserangioplastie, in dem sich eine optische Faser zur Übertragung von Laserstrahlung befindet. Der Schallkopf (Richtelement mit Wandler) am distalen Ende ermöglicht die Kontrolle eines Laser-Ablationsprozesses.

Besonders vorteilhaft ist die Kombination von Schallsonden mit Endoskopen (Endosonographen). Die Schallsonde kann dabei das Endoskop ergänzen, wie aus der EP-PS 00 46 987 bekannt ist. Dort dient der Sonograph zur Bestimmung des Abstandes des anvisierten Objektes vom Beobachtungsfenster, damit sich seine Größe genau bestimmen läßt. Der Sonograph kann auch eigenständiges Diagnosegerät des Endosonographen sein. Mit einem eingeführten Schallkopf läßt sich z. B. das den Sondenkopf umgebende, undurchsichtige Gewebe untersuchen, während mit dem Endoskop der Sondenkopf im Patienten präzise positioniert wird. Meistens werden die Endoskope in Geradsicht und die Sonographen in Seitsicht betrieben, es gibt aber viele andere Ausführungen. Z. B. wird in der EP-PS 00 61 332 in Endosonograph beschrieben, bei dem sich am Sondenkopf ein zusätzliches peripherisches Fenster für die optische Seitsicht befindet.

Um mit den Ultraschallsonden eine Ortsauflösung zu erreichen, kommen mehrere Verfahren in Frage. Die DE-OS 39 10 336 beschreibt z. B. ein Sektorscanverfahren: Der zylindrische Sondenkopf hat in Umfangsrichtung ein Fenster für radiale Ultraschall-Strahlen, das einen azimutalen Sektorscan um annähernd 360° ermöglicht. Dazu sind jedoch elektrische Antriebe im Sondenkopf notwendig, wodurch der Sondenkopf verhältnismäßig klobig wird, solche Sonden kommen für Untersuchungen des Gastrointestinaltraktes in Frage. Die Sonde kann auch über z. B. eine Hohlwelle von außen drehbar sein, wie aus der DE-OS 38 16 982 bekannt ist.

Die bekannten Schallköpfe (Richtelemente mit Wandlern) der Ultraschallsonden haben z. B. für intrakorporale Anwendungen erhebliche Nachteile:

- Ultraschall-Wandler sind temperaturempfindlich. Dadurch entstehen Probleme bei der Sterilisierbarkeit.
- Ultraschall-Wandler (oft Piezokeramiken) entwickeln im Sondenkopf Wärme, die sich wegen der kompakten Bauweise schwer abführen läßt.
- Die Sonden sind relativ dick, deshalb ist ihre Verwendung z. B. in der Arthroskopie und Bronchioskopie erheblich eingeschränkt.
- Der Betrieb der Wandler erfordert relativ hohe elektrische Spannungen. Sie müssen deshalb gut isoliert sein. Wenn sich Sondenköpfe z. B. für die Reinigung öffnen lassen müssen, gibt es Ritzen, durch die Körperflüssigkeit eindringen und einen Kurzschluß verursachen kann.

Zur Lösung dieser Probleme wird z. B. in der DE-OS 32 19 118 vorgeschlagen, am Sondenkopf besondere elektrische Kontakte anzubringen, die ein einfacheres mechanisches Auswechseln von Komponenten ermöglichen. In der DE-OS 35 37 904 wird vorgeschlagen, den Ultraschall-Wandler im Sondenkopf von den Steuer- und Anzeigeeinheiten zu entkoppeln. Diese Entkopplung soll induktiv, kapazitiv oder über optische Koppler erfolgen. Diese Geräte haben die Mängel bei der kathetergeführten Sonographie aber nicht behoben.

Die US-PS 44 07 294, 44 28 379 und 44 31 006 beschreiben z. B. als Hohlnadeln ausgeführte Lanzetten, die durch die Haut gestochen werden und in die Schalleiter, vorzugsweise aus Stahl, eingeführt und zur Spitze durchgeschoben werden, um das Gewebe an der Spitze zu untersuchen. Es ist mit diesem Verfahren schwierig, Ultraschallbilder zu gewinnen - zur Untersuchung ausgedehnter Strukturen müßte man für jeden Untersuchungspunkt die Lanzette neu ansetzen. Weiter ist es ein Problem, Lanzette und Schallwellenleiter akustisch zu entkoppeln - durch das Überkoppeln von Schall werden z. B. die Signale verfälscht. Deshalb befinden sich in der Hohlnadel schallabsorbierende Schichten, dadurch wird die Nadel dick und ihre Anwendbarkeit eingeschränkt. Weiterhin ist der Schalleiter zu starr und zu kurz, um in Kathetern verwendet zu werden.

Die WO-PA 87 01 269 beschreibt ein Verfahren zur Übertragung von Ultraschallbildern, bei dem Schallwellen mit Fasern bzw. Faserbündeln von einem Wandler außerhalb des Körpers zu einem Organ im Körper hin- und die reflektierten Wellen wieder zurückübertragen werden. Unter der Voraussetzung, daß die Faser bzw. das Faserbündel das zu untersuchende Organ kontaktiert, läßt sich mit diesem Verfahren bestenfalls die an das Faser- bzw. Faserbündelende direkt angrenzende dünne Gewebeschicht untersuchen. Die Untersuchung von Tiefenstrukturen ist aber nicht möglich. Flächig ausgedehnte Bilder könnte man nur durch Verwendung von Faserbündeln erhalten, wobei die abbildbare Fläche durch die Querschnittsfläche des Faserbündels begrenzt ist. Ein Nachteil bei der Ausführung als Faserbündel ist, daß im angegebenen Frequenzbereich von weniger als 10 MHz die Schallwellenlänge noch so groß ist, daß zwischen den Fasern des Bündels ein starkes Überkoppeln von Schallenergie stattfindet, die die Bildinformation zerstört. Wir fanden weiter, daß in Faserbündeln durch die Relativbewegung der Fasern eine sehr starke Dämpfung und Dispersion der Schallenergie auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallsonde mit hoher Ortsauflösung und großer Tiefenschärfe zu schaffen, die elektrisch sicher ist, bei der die Wärmeentwicklung im Sondenkopf gering ist und die eine kompakte Bauart ermöglicht. Die Ultraschallsonde soll insbesondere zum Einsatz in der medizinischen Sonographie geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Ultraschallsonde gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde werden die Schallwellen mit Wandlern am proximalen Ende der Sonde erzeugt und über geeignete Schallwellenleiter (SWL) zu Richtelementen am distalen Ende der Sonde (Sondenkopf) übertragen. Ultraschallsonden mit Richtelementen, die über Schallwellenleiter mit Wandlern verbunden sind, sind im Stand der Technik unbekannt. Es galt als unausgesprochene technische Regel, daß SWL aufgrund der in ihnen auftretenden Dispersion und Dämpfung für Ultraschallsonden unbrauchbar sind. Um so überraschender ist es daher, daß für die erfindungsgemäße Ultraschallsonde sogar mehrere brauchbare Bauformen für SWL aufgefunden werden konnten.

Bei den in der Praxis verwendeten Ultraschallsonden ist das Richtelement stets in direktem Kontakt mit den Wandlern, um die Dämpfung und Dispersion der Schallwellen zu verringern. Allenfalls ist zwischen Richtelement und Wandler eine kurze "Vorlaufstrecke". Diese Vorlaufstrecke kann etwa eine einfachere Trennung des reflektierten Signals von dem einfallenden ermöglichen, z. B. wenn die Signale durch Einschwing- oder Abklingvorgänge im Wandler zeitlich verlängert werden. Obwohl diese Vorlaufstrecken höchstens wenige cm lang sind, kommen sie z. B. für intrakorporale medizinische Anwendungen kaum in Frage, weil sich mit ihnen nicht die erforderlichen kompakten Bauformen erreichen lassen. Vorlaufstrecken in der Technik sind relativ dick, ihr Durchmesser beträgt mehrere mm.

Die Verwendung der erfindungsgemäß ausgelegten SWL stellt sicher, daß auch sehr kurze Schallimpulse ohne wirksame Dämpfung oder wirksame zeitliche oder frequenzmäßige Verformung übertragen werden können. Der Durchmesser des erfindungsgemäßen Schallwellenleiters ist allerdings so klein, daß der Schallwellenleiter selbst keine Richtwirkung aufweist. Aus diesem Grund ist die Verwendung eines Richtelementes am Sondenkopf erforderlich. Das Richtelement hat des weiteren die Aufgabe, die Ankopplung der Schallwellen an das zu untersuchende Medium zu fördern - Schallwellenleiter lassen in der Regel keine effiziente Ankopplung an das zu untersuchende Medium zu.

Das Entfernen der Wandler aus dem Sondenkopf hat den Vorteil, daß sich elektrische Zuleitungen zum Sondenkopf erübrigen. Die Sonde ist dadurch elektrisch sicher und die Wärmeentwicklung im Sondenkopf ist klein. Bei der Konstruktion der Richtelemente können die Wandler unberücksichtigt bleiben: Dadurch lassen sich auch in einem engen Sondenkopf Richtelemente mit großer Richtwirkung unterbringen. Das Scannen kann durch geeignete mechanische, pneumatische u. ä. Vorrichtungen im Sondenkopf erfolgen. Die Sonden werden dünner und kommen für Verwendungen in engen Gefäßen in Frage. Die Verwendung der in Patentanspruch 1 beschriebenen Schallwellenleiter stellt sicher, daß auch sehr kurze Schallimpulse ohne wirksame zeitliche oder frequenzmäßige Verformung übertragen werden können.

Im einfachsten Fall liegt der Schallwellenleiter ungeschützt im Körper. Dann ist mit erhöhten Übertragungsverlusten durch laterale Auskopplung von Schall aus dem SWL in das umgebende Körpergewebe zu rechnen. In der Regel sind diese Verluste zu hoch. Der SWL wird deshalb meistens in einem sog. Sondenrohr geführt. Das Sondenrohr kann steif oder flexibel sein. Bei diesem Sondenrohr kann es sich z. B. um einen der vielen bekannten medizinischen Katheter oder um einen freien Endoskopierkanal eines medizinischen Katheters handeln, es kann u. U. ein einfacher Schlauch in Frage kommen.

Die Länge des erfindungsgemäßen SWL beträgt mindestens 8 cm, höchstens aber 5 m. Eine Länge von mehr als 8 cm hat mehrere Vorteile, z. B. kann der SWL dann zusätzlich als Vorlaufstrecke dienen, etwa um eine einfachere Trennung des reflektierten Signals von dem einfallenden Signal zu ermöglichen (z. B. bei Einschwing- und Abklingvorgängen). Eine Länge von weniger als 8 cm ist selbst bei medizinischen Anwendungen auch kaum erforderlich. Wenn es sich aber einrichten läßt, sollte die Länge des SWL mindestens 30 cm betragen, weil dann die Handhabung der Sonde einfacher wird.

Eine Länge von 5 m reicht selbst für bestimmte technische Anwendungen unter Extrembedingungen, etwa wenn der Sondenkopf starker Bestrahlung oder starker thermischer Belastung ausgesetzt ist, vollkommen aus. Bei einer Länge von mehr als 5 m ist der SWL in der Regel kaum noch brauchbar, meistens wird die Dispersion und Absorption der Schallimpulse zu stark oder die Wiederholfrequenz der Schallimpulse muß infolge der langen Laufzeit der Schallimpulse zu stark reduziert werden. Die Verwendung von kürzeren SWL führt im allgemeinen aber zu besseren Eigenschaften des SWL. Deshalb sollte, sofern es sich einrichten läßt, für technische Anwendungen die Länge des SWL höchstens 3 m und für medizinische Anwendungen weniger als 2 m betragen.

Für die erfindungsgemäße Ultraschallsonde sind die meisten bekannten Ultraschall-Wandler und -Richtelemente geeignet. Größere Sorgfalt muß dagegen auf die Auswahl geeigneter Schallwellenleiter verwendet werden.

Aus der DE-OS 19 47 968 ist ein SWL bekannt, der aus einem Bündel dünner (Kohlenstoff-)Fasern besteht, dessen Endoberfläche so gestaltet ist, daß das Bündel als Ganzes eine schallfokussierende Wirkung hat. Eine Anwendung für dieses Faserbündel wird nicht angegeben. Die Nachteile von Faserbündeln bei der oben beschriebenen Anwendung wurden bereits diskutiert.

Die Übertragung von Schall setzt Untersuchungen der die Schallübertragung bestimmenden Effekte voraus. Systematische Betrachtungen über elastische Wellen in Fasern bzw. Zylindern findet man bei L. Pochhammer, "Über die Fortpflanzungsgeschwindigkeiten kleiner Schwingungen in einem unbegrenzten isotropen Kreiszylinder", J. Math. 81, 324 (1876), E. Sittig, "Zur Systematik der elastischen Eigenschwingungen isotroper Kreiszylinder", Acustica 7, 175 (1957), und R. N. Thurstson, "Elastic rods and clad rods", J. Acoust. Soc. Am. 64, 1 (1978).

In der US-PS 33 15 663 wird ein Bronchoskop beschrieben, daß einen SWL enthält. Mit diesem SWL sollen Schallwellen von etwa 20 kHz in die Bronchien geführt werden, um dort festsitzenden Schleim zu lösen.

In der US-PS 33 68 085 wird ein als "Verstärker-Horn" bezeichneter Taper beschrieben, mit dem sich bei geeigneter Dimensionierung Schallwellen in einen SWL einkoppeln lassen. Als Materialien für den Taper werden in der PS zwar Metalle angegeben, im Prinzip kann der Taper aber auch aus anderen Werkstoffen bestehen, z. B. aus Glas.

Die US-PS 37 36 532 beschreibt SWL zur dispersionsarmen Signalübertragung. Der Wellenleiter ist von schallabsorbierenden Schichten umgeben, um die Schallwelle abzuschirmen. Diese Schichten dämpfen jedoch stark die geführte Schallwelle, weil die evaneszente Welle in den Absorber eindringt. In einer anderen Ausführung werden Oberflächen- oder Grenzflächenwellen zur Übertragung der Schallwelle verwendet - solche SWL funktionieren allerdings nur bei extrem hohen Frequenzen (die Schallwellenlänge muß kleiner sein als die Dicke der sie führenden Schicht). Es sind auch flexible SWL bekannt, die einen Kern und einen Mantel mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften aufweisen, z. B. aus den US-PS 38 24 505 oder 39 22 622. Diese SWL sollen wie optische Kern-Mantel-Fasern funktionieren, d. h. die Schallwelle soll im Kern eingeschlossen und von den Einflüssen der Umgebung isoliert werden. Dazu müßte die Dicke des Mantels aber ein Mehrfaches der Schallwellenlänge betragen. Bei den typischen Abmessungen flexibler Fasern wären dazu sehr hohe Frequenzen notwendig, man muß von 100 MHz ausgehen - für die Sonographie sind diese Frequnzen zu hoch.

Charakteristisch für die bekannten SWL ist außerdem, daß sich in ihnen die Schallwellen in radialen oder azimutalen Moden befinden, deren geometrische Dispersion klein ist. Wir fanden aber, daß diese Moden keine Schallwellen mit höherer Leistung übertragen können und daß ihre Ein- und Auskopplung für die Praxis zu schwierig ist.

Es sind auch optische Fasern für laserspektroskopische Anwendungen bekannt, in die optische und akustische Wellen eingekoppelt werden. Durch akusto-optische Wechselwirkungen zwischen den Wellen wird die Frequenz der optischen Welle um ein Ganzahlig-Vielfaches der akustischen Welle verschoben. Um signifikante Frequenzverschiebungen zu erreichen, muß die Schallfrequenz allerdings extrem hoch sein. Die Fasern, im allgemeinen dünne optische Monomodefasern, können nur niedrige Schalleistungen über kurze Entfernungen übertragen, weil sie auf die Einkopplung und Übertragung optischer Wellen abgestimmt sind.

Die Erfindung läßt sich im Prinzip mit einer Vielzahl von Materialien für die SWL realisieren. Vorteilhafterweise wird die Auswahl eines geeigneten Materials problemabhängig erfolgen:

Viele Materialien, die z. B. aufgrund ihrer mechanischen Daten theoretisch Vorteile hätten (z. B. Beryllium mit Schallgeschwindigkeit von 12,5 km/s und der Poissonzahl von nur 0,1 oder die Chalkogenidgläser mit einer sehr niedrigen Ultraschallabsorption) scheiden wegen ihrer Giftigkeit oder mangelhaften Bearbeitbarkeit aus. SWL aus Beryllium könnten jedoch für technische Anwendungen, bei denen eine Berührung der SWL ausgeschlossen ist, durchaus in Frage kommen. Im medizinischen Bereich wären z. B. SWL aus Au- oder Pt-Legierungen geeignet, jedoch haben diese Materialien in der Regel eine zu geringe Festigkeit. Kupfer, Messing, Bronzen u. ä. sind zwar einfach zu bearbeiten, sie haben jedoch in der Regel eine grobkörnige Struktur, die zu einer erheblichen Ultraschallabsorption führen kann (die meistens durch Lagerung oder Alterung zunimmt); diese Materialien sind deshalb in der Regel wegen ungünstiger mechanischer Eigenschaften (neben der Giftigkeit) auszuschließen. Außerdem können bei metallischen SWL aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit Probleme auftreten - in solchen Fällen würde sich grundsätzlich die Verwendung von SWL aus Glas anbieten.

Der Fachmann wird mit den Bemaßungsregeln in dieser Patentschrift und aufgrund seiner Erfahrung die für eine bestimmte Anwendung geeigneten Materialien für den SWL auswählen. Dennoch werden nachfolgend Materialien für SWL vorgeschlagen, mit denen sich die Aufgabe am einfachsten lösen läßt und mit denen sich fast alle Anwendungsfälle abdecken lassen.

Das am stärksten bevorzugte Material ist Kieselglas (SiO₂-Glas), wie es für die optischen Fasern verwendet wird. Es handelt sich dabei um Glas, das bis auf unwesentliche Beimischungen aus SiO₂, GeO₂, B₂O₃, P₂O₅ und TiO₂ besteht. Dieses Glas zeigt die besten Daten aufgrund der Summe seiner Eigenschaften, wie die Festigkeit, elastischen Parameter, Schallabsorption und elektrischen Widerstand. Es kann problemlos im medizinischen Bereich verwendet werden. Ähnliches gilt für die konventionellen technischen und optischen Gläser, die ebenfalls als Material für den SWL bevorzugt werden. Die Herstellung von Formkörpern bzw. Fasern mit unterschiedlichen Profilen und Abmessungen mit hoher Genauigkeit aus Glas oder Kieselglas ist z. B. aus der optischen Nachrichtentechnik bekannt.

Wolfram- und Titan-Legierungen haben ebenfalls gute Eigenschaften, z. B. eine hohe Festigkeit und geringe Ultraschallabsorption. Beide Materialien können ohne große Probleme im medizinischen Bereich verwendet werden. Stahl-, Mg- und Al-Legierungen (und weitere Leichtmetallegierungen) haben zwar insgesamt schlechtere mechanische Eigenschaften und eine relativ hohe Ultraschallabsorption, sie lassen sich aber einfacher verarbeiten als W- oder Ti-Legierungen. Deshalb werden sie ebenfalls in die engere Auswahl der SWL-Materialien genommen.

Der SWL der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde hat einen Außendurchmesser D, nachfolgend einfach Durchmesser, der größer als 20 µm und kleiner als 1000 µm ist. Für einen SWL mit nichtkreisförmigem Querschnitt wird mit Durchmesser die vom Azimutwinkel ψ abhängige Sehne D(ψ) der SWL-Querschnittsfläche durch den Scheitelpunkt des Winkels ψ bezeichnet. Der Scheitelpunkt liegt dabei in der Symmetrieachse des SWL (übliches Koordinatensystem). Dann sei der kleinste Wert für D(ψ) größer als 20 µm und der größte Wert für D(ψ) kleiner als 1000 µm. Dadurch wird sichergestellt, daß der SWL eine ausreichende Festigkeit und eine für die Verwendung in Sondenrohren bzw. Kathetern ausreichende Flexibilität aufweist. Dünnere SWL haben keine ausreichende Zugfestigkeit mehr und dickere eine zu hohe Biegesteifigkeit. Mit diesen Abmessungen kann der SWL noch im üblichen Sinne (wie bei den optischen Fasern) als flexibel bezeichnet werden.

Die Verwendung von SWL mit nichtkreisförmigem Querschnitt wird bevorzugt, etwa wenn eine Torsionsbewegung des SWL, die z. B. die Dispersion vergrößern kann, unterdrückt werden soll. Bei SWL mit nichtkreisförmigem Querschnitt sollte insbesondere für die vom Azimutwinkel ψ abhängige Sehne D(ψ) durch die Querschnittsfläche das Verhältnis aus dem Maximalwert D_max zum Minimalwert D_min mindestens 1,4 betragen. Damit wird erreicht, daß sich der SWL unter Einfluß eines Biegemomentes aufgrund seiner richtungsabhängigen Biegefestigkeit selbständig so verdrillt, daß die Biegung des SWL um eine Achse erfolgt, die parallel zur Richtung mit dem Maximalwert der Sehne ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, daß die Richtungen mit dem Maximal- und dem Minimalwert für die Sehne aufeinander senkrecht stehen. Deshalb ist die für diese Biegung wirksame Biegesteifigkeit des SWL, die dann durch die kurze Sehne bestimmt wird, besonders niedrig. Dadurch kann erreicht werden, daß ein SWL mit einer hohen Festigkeit, d. h. großen Querschnittsfläche, dennoch für die Biegung eine kleine Biegesteifigkeit hat.

Im allgemeinen überwiegen bei SWL mit unregelmäßigem Querschnitt jedoch die Nachteile. Bei SWL mit nichtkreisförmigem Querschnitt gibt es z. B. immer Achsen mit einem ungünstigen Verhältnis der Biegesteifigkeit zur Querschnittsfläche. Bezüglich der Richtung mit der niedrigen Biegesteifigkeit können dann leicht Scher-Biegewellen angeregt werden. Bei allen Anwendungen, bei denen z. B. die Kopplung der Schallwellen mit Torsionswellen von geringerer Bedeutung ist, werden SWL mit kreisförmigem Querschnitt bevorzugt (bis auf fertigungsbedingte Querschnittsschwankungen). Bei einem SWL mit einem kreisförmigen Querschnitt findet man jedoch keine Achse mit einer niedrigeren Biegesteifigkeit. Der SWL kann deshalb insgesamt eine geringere Biegesteifigkeit haben. Deshalb wird für den SWL mit kreisförmigem Querschnitt ein Durchmesser D von weniger 800 µm bevorzugt.

Für einen SWL mit kreisförmigem Querschnitt könnten eine Reihe der in der Faseroptik bekannten konfektionierten Bauelemente wie Stecker, Schläuche, Durchführungen usw. anwendbar sein, wenn die SWL Standardgrößen aufweisen. Um diese Bauelemente verwenden zu können, wird empfohlen, daß sich der Außendurchmesser der SWL in dem Bereich von 60 µm bis 600 µm bewegt.

Der SWL der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde soll zur Übertragung von Axialwellen geeignet sein. Bei Axialwellen schwingt der SWL überwiegend in Richtung seiner Achse. Dadurch läßt sich an den SWL-Enden eine hohe Ein- und Auskoppeleffizienz für Schallwellen erreichen. Außerdem sind, bei erfindungsgemäßer Bemaßung und Verwendung der SWL, die Übertragungsverluste durch Auskopplung und die Verzerrung der Schallimpulse infolge der Dispersion gering.

Es ist unvermeidbar, daß auch bei den Axialwellen eine Bewegung des SWL- Materials in radialer Richtung stattfindet: Zum einen ist die axiale Bewegung immer mit einem radialen Vibrieren des SWL infolge der Querkontraktion des Materials verbunden, zum anderen stellen Axialwellen einen Grenzfall der sog. Axi-Radialwellen dar - Axialwellen können unter ungünstigen Bedingungen, die leider bei den typischen Anwendungen vorliegen, leicht in einen anderen Grenzfall, sog. Radialwellen, umschlagen. Bei den Radialwellen dominiert die radiale Bewegung des SWL (ein Typ von Scherwellen). Dadurch wird sehr stark Schallenergie aus dem SWL in das umgebende Medium gekoppelt und die geführte Schallwelle gedämpft, oder es findet eine starke Beeinflussung der Ausbreitungszustände der geführten Schallwelle durch das umgebende Medium statt. Die dadurch auftretende zusätzliche Disperison und Impulsverzerrung ist unkontrollierbar.

Es wurde gefunden, daß diese Effekte von der Poissonzahl ν (Querkontraktionszahl) des Fasermaterials abhängen. Dabei zeigte sich überraschend, daß man alle potentiellen Fasermaterialien in zwei Kategorien einteilen kann, in solche mit ν < 0,20 (hierzu zählen SiO₂ mit ν ≈ 0,17- 0,19, W-Legierungen mit ν ≈ 0,17 und Be-Legierungen mit ν≈0,10) und in solche mit ν0,20 (hierzu zählen "normale" Gläser mit ν≈0,25 und "normale" metallische Werkstoffe mit ν≈0,29-0,36, abhängig von der Verarbeitung, Vorbehandlung und Legierung), für die man unterschiedliche Bedingungen findet:

Um die radiale Bewegung (Umschlagen in Radialwellen) zu vermeiden, gilt vorzugsweise für das Produkt aus dem SWL-Durchmesser D (für nichtkreisförmige SWL der größte Wert der Sehne) und der Trägerfrequenz f₀ der Schallwellen:

D · f₀ 7000 m/s, wenn der SWL aus Materialien besteht, deren Poissonzahl ν kleiner als 0,20 ist,
D · f₀ 4200 m/s sonst.

Die SWL-Eigenschaften lassen sich noch verbessern, wenn man für das D · f₀- Produkt noch kleinere Grenzwerte einhält, (d. h. bei einer vorgegebenen Trägerfrequenz kleinere Werte für den Durchmesser wählt). Stärker bevorzugt wird daher für SWL

D · f₀ 3000 m/s, wenn ν < 0,20 ist
D · f₀ 1700 m/s sonst.

Bei SWL, die aus mehreren Materialien bestehen, ist es in der Praxis so, daß diese Materialien eine ähnliche Poissonzahl aufweisen (z. B. SiO₂- Gläser mit geringfügig anderer Dotierung, Legierungen mit geringer Variation innerhalb der gleichen Metallklasse) - sonst würde die Verbindung der Materialien nicht die erforderliche Festigkeit aufweisen. Man kann deshalb den Fasermaterialien in der Regel eine einheitliche Poissonzahl ν zuordnen. Hat man dennoch einen SWL vorliegen, dessen mechanisch wirksame Materialien sehr unterschiedlich sind, so ist bei der o. a. Bemaßungsregel die größte Poissonzahl zu berücksichtigen.

Das Einhalten der o. a. Bedingungen (Obergrenzen für D · f₀ in Abhängigkeit von ν) führt zu dem weiteren positiven Effekt, daß der Unterschied zwischen der Gruppengeschwindigkeit der Wellen und der Phasengeschwindigkeit für die Praxis vernachlässigbar klein ist. Die Phasengeschwindigkeit c_a der Axialwellen beträgt dann näherungsweise

(c₀ = ist die Schallgeschwindigkeit für Längswellen in einem dünnen Stab; ν, E und ρ: Poissonzahl, Elastizitätsmodul und Dichte des SWL-Materials; für SWL, die sich aus mehreren Materialien zusammensetzen, sind hierfür Effektivwerte anzusetzen und die Gruppengeschwindigkeit:

g ≈ c_a³/c₀²

(für die Phasen- und Gruppengeschwindigkeit gibt es keine geschlossenen Ausdrücke). Infolgedessen wird die Berechnung der Sonographen einfacher, ein entscheidender Vorteil für die Praxis.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die Ankoppelung an Oberflächen- oder Grenzflächenwellen (z. B. Rayleigh- oder Lovewellen) klein wird. Im Gegensatz zu bekannten Ultraschallverzögerungsleitungen, die gerade Oberflächen- oder Grenzflächenwellen verwenden, erwies es sich bei den SWL als vorteilhaft, jede Ankopplung an diese Wellen zu verhindern: Oberflächen- oder Grenzflächenwellen sind mit einer starken Auskopplung und Dispersion, die zudem unkontrollierbar von den Eigenschaften des umgebenden Mediums abhängt, verbunden. Bei diesen Wellen wird die Schallenergie in einer dünnen Schicht des SWL-Materials transportiert, sie können deshalb auch nicht die erforderlichen Schalleistungen übertragen.

Bei der Einkopplung des Schalls ist es unter Umständen schwierig, reine Axialwellen anzuregen. Durch unterschiedliche Ultraschallimpedanzen (z. B. für Axial- und für Scherwellen, G: Schermodul) an Übergangsstellen beobachtet man in der Regel selbst bei niedrigen Schalleistungen, perfekter Radialsymmetrie und perfekter axialer Anregung, daß stets auch Radialwellen auftreten wenn auch mit deutlich geringerer Amplitude als bei den Axialwellen. Durch Abweichungen von der Radialsymmetrie, z. B. fertigungsbedingte kleine Verkippungen von Komponenten, starke Biegungen oder Knickungen im Verlauf des SWL, entstehen in der Regel, vor allem bei höheren Schalleistungen, auch Scher- oder Biegewellen im SWL (wieder mit deutlich geringerer Amplitude). Hier läßt es sich positiv ausnutzen, daß bei dem erfindungsgemäßen SWL die Radial-, Scher- und Biegewellen durch Auskopplung stärker gedämpft werden als die Axialwellen, so daß diese Wellen bei längeren Übertragungsstrecken vernachlässigbar sind. Sollte dennoch eine zu starke Anregung dieser Wellen auftreten, hilft meistens eine Senkung der Schalleistung. Man kann an dem SWL auch Vorrichtungen anbringen, die speziell Radial-, Scher- und Biegewellen dämpfen (unten werden solche Vorrichtungen für die Scher-Biegewellen beschrieben). Ferner kann man auch die Ultraschall-Richtelemente am distalen Ende der Ultraschallsonde so gestalten, daß nur Axialwellen zur Wirkung kommen. Diese Ausführung empfiehlt sich besonders bei kurzen SWL.

Der SWL der erfindungsgemäßen Ultraschallsonde soll zur Übertragung von Torsionswellen geeignet sein. Bei Torsionswellen schwingt der SWL in azimutaler Richtung (Zylinderkoordinaten). Sie stellen ebenfalls einen Typ von Scherwellen dar, der ohne Querkontraktion bzw. Radialbewegung durch den SWL läuft, die Poissonzahl des Fasermaterials ist für Torsionswellen ohne Bedeutung. Bei erfindungsgemäßer Bemaßung und Verwendung der SWL sind die Übertragungsverluste und die Verzerrung der Schallwellen infolge der Dispersion ebenfalls gering. Für die Übertragung von Torsionswellen werden SWL mit kreisförmigem Querschnitt bevorzugt, weil dann die Übertragungsverluste durch Auskopplung (bzw. Ankopplung an das umgebende Medium) am geringsten sind.

Die Torsionswellen können entartet sein, d. h. es können mehrere Torsionsmoden bei der gleichen Frequenz auftreten. Da diese Torsionsmoden ähnliche Symmetrieeigenschaften aufweisen, kann die Schallenergie zwischen ihnen leicht überkoppeln. Infolge dieser Modenkopplung kann die Dispersion der Torsionswellen zunehmen. Deshalb wird bevorzugt, daß der SWL bzgl. der Übertragung von Torsionswellen einwellig ist (monomodig, nur die Torsions-Grundwelle wird übertragen). Dazu sei

f₀ · D 14 000 m/s für SWL auf Be-Basis,
f₀ · D 6100 m/s für SWL aus Kieselglas und
f₀ · D 5100 m/s für SWL aus anderen Materialien

(kleiner-gleich-Beziehung; f₀: Trägerfrequenz der Schallwellen, D: Durchmesser der SWL). Die Unterschiede für die Obergrenzen für f₀ · D ergeben sich aus den stark unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten für die Torsionswellen in den Medien.

Bei Einhaltung der zuvor genannten Bedingungen tritt bei einem (gestreckten) SWL mit näherungsweise kreisförmigem Querschnitt keine Dispersion auf; d. h. die Schallgeschwindigkeit der Torsions-Grundwelle ist unabhängig von der Frequenz und beträgt c_t = (G: Schubmodul; ρ: Dichte des Fasermaterials; c_t ist also die aus der elementaren Mechanik bekannte Schallgeschwindigkeit von Scherwellen). Das ist von besonderem Vorteil bei der Übertragung kurzer Schallimpulse.

Die Torsionswellen mit höherer Ordnung zeigen eine starke Dispersion und sind in der Regel zur Übertragung von kurzen Schallimpulsen ungeeignet.

Die Torsions-Grundwelle hat aber die Eigenschaft, daß bei ihr die azimutale Bewegung des SWL von innen nach außen zunimmt, d. h. seine azimutale Bewegung ist an der Oberfläche am größten: Das SWL-Material wird bei der Torsions-Grundwelle eigentlich schlecht ausgenutzt, die Torsions-Grundwelle ist deshalb zur Übertragung von Schallwellen mit höherer Leistung in der Regel schlechter geeignet als die Axialwellen.

Insbesondere wenn der SWL sich in einem hoch-viskosen Medium befindet (z. B. eine Spülflüssigkeit in einem Katheter) können durch die starke azimutale Bewegung des SWL erhöhte Übertragungsverluste auftreten. Die Erfahrung zeigt, daß man die Auskoppelverluste eines SWL für Torsionswellen reduzieren kann, wenn man seinen Durchmesser verringert. Deshalb ist stärker bevorzugt, daß gilt:

f₀ · D 8000 m/s für SWL auf Be-Basis,
f₀ · D 4200 m/s für SWL aus Kieselglas und
f₀ · D 3000 m/s für SWL aus allen anderen Materialien.

Die Lösung der Aufgabe erfordert es, die SWL präzise auf die Anwendungen abzustimmen. Mit den erfindungsgemäßen SWL ist das für Anwendungen möglich, bei denen Untersuchungen nach dem Impulsechoverfahren oder nach dem Dopplerverfahren durchgeführt werden sollen, wenn die Trägerfrequenz f₀ größer als 450 kHz und kleiner als 28 MHz ist.

Durch die Einschränkung auf den Frequenzbereich von mehr als 450 kHz wird vermieden, daß bei Störungen des idealen SWL-Verlaufs, z. B. an Biegungen, die geführten Schallwellen etwa (bei Anregung axialer Wellen) spontan in sog. Biegewellen umschlagen. Biegewellen sind zur Übertragung von Schallwellen im Sinne der Erfindung ungeeignet, weil sie wegen der zu starken lateralen Bewegung mit einer starken Dämpfung verbunden sind und weil ihre Dispersion (Schallgeschwindigkeit ≈ ) für die Übertragung von kurzen Schallimpulsen viel zu hoch ist. Durch die Einschränkung auf Frequenzen von weniger als 28 MHz wird die Ankopplung an Oberflächen- oder Grenzflächenwellen mit den beschriebenen Nachteilen noch stärker herabgesetzt.

Für die Übertragung von Schallwellen im Frequenzbereich von 800 kHz bis 20 MHz läßt sich die Ultraschallsonde besonders einfach gestalten. Bei einer Frequenz von weniger als 800 kHz könnte es auftreten, daß bei Biegungen des SWL ein biegungsabhängiger Beitrag zur Schallgeschwindigkeit auftritt, weil z. B. die bei axialen Wellen im SWL wirksamen Axialkräfte eine stationäre Schwingung des gebogenen SWL-Segmentes anregen. Die biegungsabhängige Schallgeschwindigkeit für Axialwellen in den erfindungsgemäßen SWL beträgt näherungsweise

c(f₀) ≈ c₀ (1 + 0,013 · (λ/R)²)

(R: Biegeradius: λ: Schallwellenlänge in der Faser; λ ≈ c₀/f₀, c₀: Schallgeschwindigkeit im gestreckten SWL. Wird die Frequenz zu niedrig, kann z. B. die Laufzeit eines Schallimpulses zu stark vom Biegeradius abhängen - in der Ultraschall-Technik lassen sich solche wenig kontrollierbaren Laufzeiteffekte bei der Auswertung kaum berücksichtigen. Übersteigt die Frequenz 20 MHz, wird z. B. aufgrund der kurzen Wellenlängen die Gestaltung von Ultraschall-Wandlern mit geeigneten Ein- und Auskoppelelementen für den SWL in der Praxis schwierig.

Der mit dem erfindungsgemäßen SWL überdeckbare Frequenzbereich ist größer als für die medizinische Sonographie notwendig ist (etwa 1 bis 20 MHz). Höhere Frequenzen sind nicht sinnvoll, weil dann die Dämpfung der Ultraschallwellen im biologischen Gewebe zu stark wäre (der Absorptionskoeffizient der meisten Gewebearten für Ultraschallwellen nimmt annähernd quadratisch mit der Frequenz zu und beträgt etwa 0,2 . . . 2,5 dB/cm · (f₀/MHz)². Niedrigere Frequenzen wären auch nicht sinnvoll, weil die räumliche Auflösung des Sonographen proportional zur Schallwellenlänge und damit reziprok zur Schallfrequenz ist (λ ≈ c₀/f₀; die Schallgeschwindigkeit c₀ der meisten Gewebearten beträgt 1450 bis 1650 m/s).

In der Regel sollen die SWL flexibel sein, d. h. auf einen durch die jeweilige Anwendung vorgesehenen Radius biegbar sein. Eine minimale Flexibilität der SWL ist selbst bei der Verwendung in starren Sondenrohren von Vorteil, z. B. weil dann die Führung anderer Elemente im Sondenrohr einfacher wird. In starren Sondenrohren reicht im allgemeinen ein minimaler Biegeradius von 10 . . . 30 cm aus. Flexible Sonden für die Technik oder medizinische Anwendungen stellen aber deutlich höhere Anforderungen, hier kann ein Biegeradius von 2 . . . 5 cm, manchmal von weniger als 2 cm erforderlich sein. Zur überschlagsmäßigen Dimensionierung der SWL ist es ausreichend, von relativ steifen SWL, nachfolgend "steife SWL", mit einem minimalen Biegeradius von R ≈ 10 . . . 30 cm und von "biegbaren SWL" mit einem minimalen Biegeradius von R ≈ 2 . . . 5 cm auszugehen.

Dadurch entstehen weitere Einschränkungen für den SWL-Durchmesser: An der Oberfläche eines mit dem Radius R gebogenen SWL aus einem Material mit dem Elastizitätsmodul E (bei SWL aus mehreren Materialien das Elastizitätsmodul des Materials der äußersten Schicht) mit dem Durchmesser D (bei SWL mit nichtkreisförmigem Querschnittsprofil der Durchmesser in der Ebene, welche den die SWL tangierenden Biegekreis enthält) beträgt z. B. die Normalspannung (Zug- oder Druckspannung in Richtung der SWL-Achse) σ_max ≈ 0,5 · E · (D/R). Zu dieser Spannung addieren sich die durch die geführte Schallwelle hervorgerufenen Spannungen, die aber im allgemeinen wesentlich niedriger als die Biegespannungen sind.

Selbstverständlich muß die resultierende mechanische Spannung geringer sein als die Fließ-, Streck- oder Bruchspannung des SWL-Materials. Für die erfindungsgemäßen SWL sind aber noch engere Grenzen einzuhalten: σ_max muß kleiner sein als die Maximalspannung, bis zu der sich das Material überhaupt elastisch verhält (kleine bleibende Deformation des Materials nach Verschwinden der Spannungen), und für Anwendungen, bei denen es auf eine besonders frequenzreine Übertragung ankommt, z. B. in der Dopplersonographie, soll die Spannung sogar niedriger sein als die charakteristische Grenzspannung des Materials, bis zu der sich das Material linear-elastisch verhält (bis zu der ein linearer Zusammenhang zwischen Spannung und Deformation - Hookesches Gesetz - gefunden wird). Wird diese Grenze überschritten, kann im SWL z. B. eine Frequenzkonversion (z. B. Summen- oder Differenzfrequenzmischung) oder ein Überkoppeln von Schallenergie auf andere Moden auftreten.

Leider ist die Grenze, bis zu der sich ein Material linear-elastisch verhält, unscharf: In den potentiellen Materialien wird auch für sehr niedrige Spannungen ein Abweichen vom linear-elastischen Verhalten beobachtet. Andererseits wirkt sich diese Nichtlinearität meistens nicht unmittelbar aus, weil z. B. eine durch die Biegung induzierte Dispersion von Schallwellen auftritt, die eine kohärente Wechselwirkung zwischen verschiedenen Schallmoden oder Schallwellen mit unterschiedlicher Frequenz verhindert (kein konstruktives Überkoppeln aufgrund einer zu kurzen Wechselwirkungslänge). Es wurden eine Reihe von Mechanismen gefunden, die die beschriebenen Effekte begünstigen oder verhindern. Man kann die Effekte nicht im einzelnen berücksichtigen, sondern muß einfache Faustformeln anwenden.

In SWL aus relativ duktilen Ag-, Au- oder Pt-Legierungen (Elastizitätsmodul E für Ag: ≈ GPa, Au: 80 GPa und Pt: 173 GPa; 1 GPa = 10⁹ Pa) muß die Biegespannung an der SWL-Oberfläche niedriger als 90 MPa (≈ 9 kp/mm²; 1 MPa = 10⁶ Pa) sein. Deshalb kommen diese Materialien nur für steife SWL (minimaler Biegeradius von R ≈ 10 . . . 30 cm) in Frage, für den SWL-Durchmesser wird ein Wert von weniger als D < 250 µm bevorzugt. Wollte man größere Faserradien erreichen oder den SWL enger biegen, müßte man die Materialien stärker legieren, dann wäre für diese Materialien eine höhere Ultraschallabsorption in Kauf zu nehmen.

In SWL aus Fe- bzw. Stahl-Legierungen (Elastizitätsmodul E ≈ 210 GPa) soll die Biegespannung an der SWL-Oberfläche niedriger als 180 MPa sein. Deshalb wird für steife SWL (R ≈ 10 . . . 30 cm) der Durchmesser D 200 µm und für biegbare SWL (R ≈ 2 . . . 5 cm) der Durchmesser D 80 µm bevorzugt. In diesen Materialien wird zwar eine höhere Zugfestigkeit als bei Edelmetallegierungen erreicht, wegen des höheren E-Moduls treten an der Oberfläche solcher Fasern aber stets hohe Zugspannungen auf.

In noch stärkerem Maße gilt das für SWL aus W-Legierungen (E ≈ 400 GPa). Dort soll die Biegespannung an der SWL-Oberfläche niedriger als 200 MPa sein. Deshalb wird für steife SWL (R ≈ 10 . . . 30 cm) der Durchmesser D 200 µm und für biegbare SWL (R ≈ 2 . . . 5 cm) der Durchmesser D 50 µm bevorzugt. Bei W-Legierungen ist die Herstellung von sehr dünnen SWL mit engen Toleranzen bekannt.

In SWL aus Mg- oder Al-Legierungen (E ≈ 40 . . . 70 GPa) soll die Biegespannung an der SWL-Oberfläche niedriger als 100 . . . 120 MPa. Deshalb wird für steife SWL (R ≈ 10 . . . 30 cm) der Durchmesser D < 300 µm und für biegbare SWL (R ≈ 2 . . . 5 cm) der Durchmesser D < 160 µm bevorzugt. Bei diesen Materialien macht sich das niedrige Elastizitätsmodul positiv bemerkbar. Die relativ niedrige Bruchspannung dieser Materialien wird nicht erreicht, weil die Zug- oder Druckspannungen an der SWL-Oberfläche infolge des niedrigen E-Moduls gering sind.

In SWL aus Ti-Legierungen (E ≈ 105 GPa) soll die Biegespannung an der SWL- Oberfläche niedriger als 200 MPa sein. Deshalb wird für steife SWL (R ≈ 10 . . . 30 cm) der Durchmesser D 300 µm und für biegbare SWL (R ≈ 2 . . . 5 cm) der Durchmesser D 120 µm bevorzugt. Bei SWL aus diesen Materialien macht sich positiv bemerkbar, daß hier ein niedriger E-Modul und eine hohe Zugfestigkeit zusammentreffen.

In SWL aus Gläsern (normales technisches oder optisches Glas oder Kieselglas, E ≈ 72 . . . 80 GPa) soll die Biegespannung an der SWL-Oberfläche niedriger als 500 MPa sein. Deshalb wird für biegbare SWL (R ≈ 2 . . . 5) der SWL-Durchmesser D 350 µm bevorzugt. (Für größere Biegeradien gibt es keine Einschränkungen.) Im Vergleich mit den Metallen wurde für Gläser überraschend ein deutlich größerer zulässiger SWL-Durchmesser gefunden. Unserers Erachtens ist das auf den relativ niedrigen Elastizitätsmodul (die mechanischen Spannungen sind deshalb an der SWL-Oberfläche niedrig) und auf die mikroskopische Struktur der Gläser zurückführbar: Gläser haben eine homogene Struktur, Metalle sind dagegen polykristallin. In Metallen können daher schon bei relativ niedrigen mechanischen Spannungen mikroskopische Bewegungen der Mikrokristallite stattfinden (Aufreißen von Korngrenzen, Gleitungen), die in Gläsern unmöglich sind. Schon deshalb ist es vorteilhaft, die SWL aus Gläsern herzustellen.

Durch die Absorption von Schallenergie durch das SWL-Material (intrinsische Schallabsorption) treten Übertragungsverluste auf. Am Ende der SWL kann daher das Schallsignal so stark abgeschwächt sein, daß es für die Messung nicht mehr taugt. Die intrinsische Schallabsorption der SWL hängt vom verwendeten SWL-Material, der Übertragungslänge L und der Trägerfrequenz f₀ ab.

Leider ist es schwierig, den Schallabsorptionskoeffizienten eines Materials zuverlässig vorherzubestimmen, er hängt von vielen Einflußgrößen ab. Bei polykristallinen Werkstoffen tritt z. B. ein auf Streuung zurückführbarer Beitrag auf (ähnlich der Rayleigh-Streuung bei elektromagnetischer Strahlung), der proportional zu vierten Potenz der Trägerfrequenz und proportional zur dritten Potenz des mittleren Kristallitdurchmessers zunimmt. Da sich z. B. in Metallen der Kristallitdurchmesser durch die Bearbeitung (etwa Glühen) in einem weiten Bereich ändern läßt, kann der Ultraschallabsorptionskoeffizient stark variieren. Unter Umständen schwankt der Wert für ein Material um mehr als drei Ordnungen. Den Materialtechnikern ist es aber bekannt, wie man bei einem Material einen niedrigen Ultraschallabsorptionskoeffizienten einstellt.

Der erfindungsgemäße SWL ist so gestaltet, daß einige Beiträge zur Ultraschalldämpfung, die in einem massiven Stück des betreffenden Materials der Schallwellenlänge zu den Querabmessungen so gewählt, daß der Rayleigh- Streuungs-ähnliche Beitrag zur Ultraschall-Dämpfung klein ist: Die Streuung ist nicht isotrop sondern erfolgt gebündelt in einen engen Winkelbereich um die SWL-Achse. Die Streuamplitude ist entsprechend abgeschwächt und die Ultraschalldämpfung geringer.

Zur einfacheren Gestaltung des SWL findet man aufgrund empirischer Daten folgende Faustformeln: Um die Schallabsorption klein zu halten, werden SWL bevorzugt, die der Bedingung

L · f₀² K

genügen (f₀: Trägerfrequenz, L: SWL-Länge), wobei die Material- bzw. SWL- Konstante K für SWL aus

Ti-, W-, Al- oder Mg-Legierungen:
K ≈ 70 · 10¹² m/s²
Ag, Au oder Pt-Legierungen:	K ≈ 22 · 10¹² m/s²
Fe- oder Stahl-Legierungen:	K ≈ 7 · 10¹² m/s²
normalen Gläsern:	K ≈ 80 · 10¹² m/s²
Kieselglas:	K ≈ 1 · 10¹⁶ m/s²

beträgt.

Für Kieselglas werden die besten Werte beobachtet, u. E. ist das wieder auf seine Homogenität zurückführbar. Das Einhalten dieser Grenzen reicht für die meisten Anwendungsfälle aus. Für hochauflösende Sonographie ist aber u. U. eine noch geringere Ultraschallabsorption erforderlich; dann soll für SWL aus

Ti- oder W-Legierungen:
K ≈ 2,5 · 10¹² m/s²
Al- oder Mg-Legierungen:	K ≈ 3 · 10¹² m/s²
Ag-, Au- oder Pt-Legierungen:	K ≈ 0,7 · 10¹² m/s²
Stahl- oder Fe-Legierungen:	K ≈ 0,14 · 10¹² m/s²
für SWL normalen Gläsern:	K ≈ 0,8 · 10¹² m/s²
für SWL aus Kieselglas:	K ≈ 1 · 10¹⁵ m/s²

gelten. Wegen der für die hochauflösende Sonographie erforderlichen hohen Schallfrequenzen muß davon ausgegangen werden, daß dann in erster Linie Kieselglasfasern in Frage kommen.

Es wurde gefunden, daß durch Ankopplung der Axialwellen an Scher-Biegewellen hohe Übertragungsverluste entstehen. Scher-Biegewellen sind nämlich mit sehr starken Bewegungen der SWL verbunden (es lassen sich unter ungünstigen Bedingungen sogar Peitschenbewegungen beobachten), die stark elastische oder viskose Schwingungen im umgebenden Medium anregen. Dadurch geht der geführten Schallwelle Energie verloren und ihre Dispersion wird vergrößert. Dieser Effekt tritt vor allem bei niedrigen Frequenzen auf.

Das Auftreten von Scher-Biegewellen läßt sich meistens verhindern, wenn die laterale Bewegung der SWL durch Stützelemente eingeschränkt wird. Dazu soll der Abstand der Stützelemente L_st längs der SWL-Achse kleiner sein als die halbe Wellenlänge der sich bei der Trägerfrequenz ausbildenden Scher-Biegewellen:

Dabei ist D der Durchmesser eines SWL mit kreisförmigem Querschnitt bzw. der Minimalwert der Sehne durch die Querschnittsfläche bei einem SWL mit nichtkreisförmigem Querschnitt (es sind die Scher-Biegewellen mit der kürzesten Wellenlänge, bzgl. der niedrigsten Biegesteifigkeit des SWL bzw. der kleinsten Sehne, in Rechnung zu stellen).

Unter Umständen lassen sich keine Stützelemente anbringen. Dann müssen die durch die lateralen Bewegungen der SWL erzeugten Verluste in Kauf genommen werden. Diese lassen sich eventuell dadurch vermindern, daß die übertragene Schalleistung reduziert wird: Die Neigung zur Ankopplung der Axialwellen an Scher-Biegewellen wächst nämlich, wenn die Schalleistung der Axialwellen zunimmt.

Durch die Stützelemente können in ungünstigen Fällen Laufzeit-Interferenzeffekte für die Axialwellen auftreten. Um die zu unterdrücken, gilt

Sollen die beschriebenen Stützelemente zur Dämpfung der Scher-Biegewellen angebracht werden und soll bei Biegungen des Sondenrohres der SWL um eine vorbestimmte Achse gebogen werden, ist es weiter vorteilhaft, die Stützelemente so auszuführen, daß sie eine Biegung des Schallwellenleiters um die vorbestimmte Achse erzwingen. Dadurch wird die Gesamtzahl der Stützelemente des SWL reduziert, was sich letztlich in einer höheren Übertragungseffizienz des SWL niederschlägt. Bei SWL mit nicht-kreisförmigem Querschnitt läßt sich durch Stützelemente erreichen, daß bei Biegungen des Sondenrohrs der SWL um eine Achse gebogen wird, die parallel zur Richtung mit dem größten Wert für die Sehne D(ψ) ist.

Bei SWL zur Übertragung von Schallimpulsen läßt sich die Ausbildung von Scher-Biegewellen mit starken Verlusten durch die laterale Bewegung der SWL auch dadurch verhindern, daß innerhalb der Wechselwirkungslänge zwischen den Wellen keine konstruktive Verstärkung der Scher-Biegewellen stattfinden kann. Ist T_p die Impulsdauer der eingekoppelten Schallwellen, dann soll dazu vorzugsweise

gelten. Dieser Effekt läßt sich verstehen, wenn man davon ausgeht, daß die maximale Wechselwirkungslänge zwischen Axial- und Scher-Biegewellen durch die mit der Impulsdauer multiplizierte Differenzgeschwindigkeit zwischen diesen Wellen bestimmt wird. Die angegebene Beziehung stellt sicher, daß diese Wechselwirkungslänge so kurz ist, daß keine effektive Überkopplung von Schallenergie von Axialwellen auf Scher-Biegewellen stattfindet.

Bei SWL zur Übertragung von kurzen Ultraschallimpulsen tritt die Schwierigkeit auf, daß die Impulse durch die Übertragung verbreitet werden. Als Ursache dafür wurde eine Abhängigkeit der spektralen Schallgeschwindigkeit (die durch die Gruppengeschwindigkeit nicht erfaßt wird sondern von "höherer Ordnung" ist) von der SWL-Geometrie erkannt. Dieser Effekt tritt vor allem für die Torsionswellen mit höherer Ordnung auf, sie sind deshalb zur Übertragung von kurzen Schallimpulsen in der Regel ungeeignet. Bei den einwelligen erfindungsgemäßen SWL ist aber, wie oben ausgeführt wurde, die Torsions-Grundwelle dispersionsfrei - mit ihnen ist deshalb kaum mit Schwierigkeiten bei der Übertragung kurzer Schallimpulse zu rechnen.

Bei den Axialwellen der erfindungsmäßigen SWL tritt an sich eine schon nur schwache Dispersion auf; diese läßt sich weiter reduzieren,

i) wenn die SWL-Geometrie möglichst gleichmäßig ist (SWL mit einem kreisförmigen Querschnitt sind in dieser Hinsicht also vorteilhaft) oder
ii) wenn der SWL aus Materialien besteht, die sich in ihren mechanischen Eigenschaften (Elastizitäts-, Schubmodul, Poissonzahl und Dichte) möglichst wenig unterscheiden, der SWL also homogen ist.

Deshalb werden für Anwendungen, bei denen es auf eine geringe Verbreiterung der Schallimpulse ankommt, SWL aus einem homogenen Material mit kreisförmigem Querschnitt bevorzugt.

Diese Effekte lassen sich aber auch vermeiden, wenn folgende Bedingungen für die Impulsdauer T_p der Schallimpulse, die SWL-Länge L (Übertragungslänge zwischen Schallwandlern und Richtelementen), dem SWL- Durchmesser D (maximaler Durchmesser bei SWL mit nichtkreisförmigem Querschnittsprofil) und der Trägerfrequenz f₀ eingehalten wird:

für SWL auf Be-Basis

für SWL auf Kieselglasbasis oder aus W-Legierungen

und für SWL aus anderen Materialien

(größer-gleich-Beziehung; die Werte auf der rechten Seite haben die Dimension Sekunde³ dividiert durch Meter³). Daß für Be-, Kieselglas- oder Wolfram-SWL kleinere Werte zulässig sind, läßt sich wieder auf die niedrige Poissonzahl zurückführen.

Bei Einhaltung dieser Werte ist gewährleistet, daß die Verbreiterung der Ultraschallimpulse durch die Übertragung deutlich kleiner ist als die Dauer der Ultraschallimpulse T_p. Für die meisten in der Praxis vorkommenden Fälle reicht das aus. Für Anwendungen mit der höchsten Auflösung könnten aber noch höhere Anforderungen auftreten. Es könnte z. B. erforderlich sein, daß die Verbreiterung der Schallimpulse selbst im Vergleich mit der Dauer einer Schwingung der Schallwelle (≈1/f₀) kurz ist. Dann reicht die zuvor angegebene Bedingung im allgemeinen nicht mehr aus, und es soll

für SWL auf Be-Basis

für SWL auf Kieselglasbasis oder aus W-Legierungen

und für SWL aus anderen Materialien

gelten. Noch höhere Werte einzuhalten ist für keinen realistischen Anwendungsfall erforderlich.

Der SWL kann gegebenenfalls von einer fest aufliegenden Schutzhülle aus einer oder mehreren Schichten umgeben sein. Die Schutzhülle schützt den SWL vor chemischen Einwirkungen durch das umgebende Medium (z. B. Atmosphäre, Körper- oder Spülflüssigkeiten) oder vermeidet Kratzerbildungen in der SWL-Oberfläche z. B. durch eine ungeschickte Handhabung. Bei erfindungsgemäßer Gestaltung hat die Schutzhülle einen vernachlässigbaren Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften der SWL und auf ihre Fähigkeit zur Führung von Schallwellen.

Das Aufbringen dieser Schutzhülle empfiehlt sich besonders bei SWL aus Glas, weil bei diesen Sprödwerkstoffen schon mikroskopische Kratzer an der SWL-Oberfläche die Festigkeit der SWL erheblich reduzieren. Die Schutzhülle kann z. B. aus einem (duktilen) Kunststoff, wie die in der Faseroptik verwendeten UV-härtbaren Acrylate, Silikone oder Polyimide (dann könnte die SWL bei hohen Temperaturen sterilisiert werden) oder aus einer dünnen Metallschicht bestehen.

Bei SWL aus metallischen Werkstoffen kann in der Regel auf die Schutzhülle verzichtet werden. Wenn aber eine Schutzhülle aufgebracht werden soll, etwa aus Gold zur chemischen Inertisierung der SWL, empfiehlt es sich, eines der vielen bekannten elektrolytischen Verfahren zu verwenden.

Bei den erfindungsgemäßen SWL aus Glas kann es sich im Prinzip um die an sich in der optischen Nachrichtentechnik bekannten optischen Fasern handeln. Die Ausführung der erfindungsgemäßen SWL als optische Faser kann erhebliche Vorteile haben:

Die optische Faser kann z. B. Lichtenergie übertragen, daß in einer als Endosonograph ausgebildeten Ultraschallsonde zur Beleuchtung des anvisierten Objektes dient.
Durch die Übertragung von optischen Signalen mit dem SWL kann sein Zustand im Betrieb kontrolliert werden und ein Bruch schnell und ohne Zerlegung der Sonde detektiert werden.

Bei Verwendung einer optischen Faser als SWL wird bevorzugt, daß es sich um eine Stufenindexfaser (Kern-Mantel-Faser) handelt. Bei Fasern auf Kieselglasbasis kann bei Kern-Mantel-Fasern der Kern aus reinem SiO₂ bestehen, der von einem schwach F-dotierten SiO₂-Mantel umgeben ist, wobei die F-Dotierung die zur optischen Strahlführung notwendige Brechzahlabsenkung des Mantels in bezug auf den Kern bewirkt. Die F-Dotierung ist dabei in der Regel so gering, daß die mechanischen Eigenschaften des SiO₂-Glas nur wenig nachteilig beeinflußt werden.

Mit einer F-Dotierung läßt sich aber nur ein geringer Brechzahlunterschied zwischen dem Kern und dem Mantel der Fasern erreichen. Die daraus resultierende numerische Apertur der Fasern kann unter Umständen zu klein sein, um am Einkoppelende genügend Strahlung einzufangen, um das anvisierte Objekt am Auskoppelende ausreichend stark zu beleuchten. Dann empfiehlt es sich, die Fasern als Kern-Mantel-SWL aus Multikomponentengläsern herzustellen. Hierbei muß beachtet werden, daß beim Ziehen dieser Fasern keine mechanischen Spannungen in der Faser "eingefroren" werden. Diese Spannungen können z. B. ihre Ursache in unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Kern- und des Mantelglases haben. Den Glasherstellern ist bekannt, welche Gläser auszuwählen sind, so daß bei den daraus gezogenen Fasern die mechanischen Spannungen zwischen Kern und Mantel gering sind.

Der SWL kann einen in axialer Richtung veränderlichen Querschnitt aufweisen. Insbesondere wird einbezogen, daß sich der Querschnitt nur am Ein- oder Auskoppelende für die Schallwellen ändert und im langen Mittelteil im wesentlichen konstant ist. Bei der Veränderung des Querschnitts kann es sich um eine Aufweitung des SWL ("Taper") handeln, um die Ein- oder Auskopplung der Schallwellen in den bzw. aus dem SWL zu vereinfachen.

Es wird empfohlen, daß der Durchmesser D (bzw. die größte Sehne durch den Querschnitt bei nichtkreisförmigem Querschnitt) des aufgeweiteten Abschnitts des SWL kleiner ist als die Schallwellenlänge der Axialwellen (λ = c₀/f₀): D < λ. Dadurch wird erreicht, daß beim Passieren des Tapers die bei dem erfindungsgemäßen SWL an sich sehr ebenen Wellenfronten der Schallwellen im SWL nur wenig deformiert werden, d. h. dann ist dort die Ankopplung der Axialwellen an Radialwellen vernachlässigbar gering.

Der erfindungsgemäße SWL soll vorwiegend dazu dienen, die Schallwellen von einem am proximalen Ende der Sonde befindlichen Ultraschall-Wandler zu einem am distalen Ende befindlichen Richtelement zu übertragen (eingestrahlte Schallsignale). Er kann aber auch dazu dienen, die von einem Ultraschall-Empfänger am distalen Ende empfangenen Schallwellen zu einem elektroakustischen Wandler am proximalen Ende der Sonde zu transportieren. Gegebenenfalls ist dieser Wandler mit dem Wandler identisch, der die eingestrahlen Signale erzeugt hat. Bei dem Ultraschallempfänger kann es sich dabei um das Ultraschall-Richtelement handeln, daß auch zur Aussendung der Schallsignale dient. Für die Hin- und Rückübertragung kann dann derselbe SWL dienen. Das Ultraschall-Richtelement für die Aussendung der Schallwellen und der Ultraschall-Empfänger können aber auch getrennte Bauelemente sein. Dann werden in der Regel verschiedene SWL für die Hin- und Rückübertragung der Schallwellen verwendet.

Der SWL kann sich in seinem Verlauf aufteilen, so daß es möglich ist, mit dem Ultraschallwandler mehrere Ultraschall-Richtelemente zu betreiben.

Mehrere zunächst getrennte SWL können sich zu einem gemeinsamen SWL vereinen, so daß es möglich ist, mit mehreren getrennten Ultraschallwandlern einen Richtkopf zu versorgen (der SWL kann sich aber auch wieder aufteilen und zu mehreren Wandlern führen). Diese Anordnung hat Vorteile,

- wenn ein Wandler mit mehreren deutlich getrennten Schallfrequenzen versorgt werden soll, weil die im üblichen Sinne optimierten Ultraschallwandler auf eine feste Frequenz abgestimmt sind oder
- wenn ein Richtelement im Multi-Impulsbetrieb mit kurzen Impulsen und mit hoher Repetitionsrate betrieben werden soll, weil die Erzeugung der Schallimpulse mit den getrennten Schallwandlern technisch einfacher ist.

Zur Vereinfachung wurden in der Regel Geräte für die Medizin (Untersuchungen von Patienten, Gewebe) beschrieben, obwohl ähnliche Geräte in der Technik (Untersuchung von Gegenständen, zerstörungsfreie Materialprüfung) angewendet werden können. Es wird in die Erfindung als einbezogen betrachtet, daß die SWL zur Übertragung der Schallenergie auch in der Technik Anwendung finden können.

Es wird in die Erfindung einbezogen, daß es sich bei den erfindungsgemäßen Ultraschallsonden um Durchflußmeßgeräte, insbesondere um sog. intravaskuläre oder perivaskuläre "Flow-Meter" für medizinische Anwendungen handelt. Solche Flow-Meter können nach dem Doppler-Prinzip, dem "Transit-Time-Prinzip" (mono- und bidirektional) oder nach dem "Multi-Elemente-Prinzip" (mit der Strömung mitbewegte Inhomogenitäten passieren mehrere in Strömungsrichtung aufeinanderfolgende Ultraschallregistrierelemente; aus der zeitlichen Abfolge der Registrierimpulse wird die Geschwindigkeit der Strömung bestimmt) arbeiten. Bei den bekannten Flow-Metern befinden sich die Ultraschall-Wandler direkt an den als Einkoppelstellen bezeichneten Richtelementen (vgl. die US-PS 42 57 275 für ein Flow-Meter nach dem Multi- Elemente-Prinzip oder die US-PS 42 27 407 für ein Flow-Meter nach dem Transit-Time-Prinzip), mit den oben beschriebenen Nachteilen. Bei den erfindungsgemäßen Flow-Metern werden die Einkoppelstellen über SWL mit räumlich getrennten Wandlern verbunden.

Ausführungsbeispiel

Für einen nach dem Impulsechoverfahren arbeitenden Sonographen für medizinische Anwendungen (transuminal geführte Sonde zur intravaskulären Bestimmung der Plaquedicke von Arterien, etwa der A. poplitea) sollen Schallimpulse mit einer Trägerfrequenz von f₀=7,5 MHz und einer Impulsdauer von T_p = 533 ns (Wellenzüge mit 4 Perioden) mit einem erfindungsmäßigen SWL übertragen werden. In biologischem Gewebe legt der Schallimpuls innerhalb der Impulsdauer etwa 80 µm zurück, das entspricht damit in etwa dem Tiefenauflösungsvermögen des Sonographen. Dieses Tiefenauflösungsvermögen reicht nach dem derzeitigen Kenntnisstand für die angestrebte Anwendung aus - außerdem würde eine bessere Auflösung eine höhere Trägerfrequenz erfordern, dann wäre aber mit einer wesentlich höheren Schallabsorption zu rechnen (vor allem in kalzifiziertem Gewebe). Die Wiederholfrequenz der Schallimpulse beträgt 240 Hz. Die Spitzenleistung der Schallimpulse beträgt 40 W und ist damit relativ hoch (trotz der niedrigen mittleren Leistung von etwa 0,5 mW). Die notwendige Übertragungslänge vom extrakorporalen Wandler zu dem in den Körper eingeführten Sondenkopf beträgt 75 cm. Die Faser soll mit einem Radius von R=2 cm biegbar sein ("biegbarer SWL").

Es wird eine einfache Ausführungsform, eine Faser aus reinem Kieselglas mit kreisförmigem Querschnitt, gewählt. Der Durchmesser der Faser (des Glaskörpers der Faser, die mechanisch wirksame Zone) beträgt 62,5 µm. Für die Faser sind damit viele Bauelemente (Stecker, Durchführungen, Dichtungen etc.) verwendbar, die in der Nachrichtentechnik für optische Monomodefasern verwendet werden. Für eine Transluminalsonde ist es nicht notwendig, den SWL als optische Faser auszugestalten (obwohl es bei Kieselglasfasern naheliegend ist, optische Fasern zu verwenden), der SWL kann aus einem homogenen Material bestehen. Der SWL (die Faser) wird aber mit einer dünnen Schutzhülle aus einem UV-härtbaren Acrylat versehen, wie es bei optischen Fasern üblich ist.

In den SWL werden Axialwellen eingekoppelt. Das Produkt aus der Trägerfrequenz der Schallwellen und dem Durchmesser der Faser beträgt 469 m/s. Die Wellenlänge für Schallwellen mit der o. ä. Trägerfrequenz beträgt 773 µm (in Kieselglas beträgt die Schallgeschwindigkeit für Axialwellen 5800 m/s). Das Verhältnis aus dem Faserdurchmesser und der Schallwellenlänge ist damit relativ niedrig, es ist mit einer verhältnismäßig starken Dispersion zu rechnen. Für den erfindungsmäßigen SWL finden wir für den maßgeblichen "Dispersionsparameter"

das ist gerade der untere Wert des Bereichs, der SWL mit geringer Dispersion kennzeichnet.

Für den SWL beträgt das Produkt aus der Länge und dem Quadrat der Trägerfrequenz L · f₀² = 4,2 · 10¹³ m/s², die intrinsische Schallabsorption des Kieselglases ist damit vernachlässigbar.

Der vorgeschlagene SWL ist mechanisch ausreichend flexibel, um in einen freien Endoskopierkanal eines transluminalen Katheters eingeführt zu werden. Er ist dabei aber noch ausreichend steif, um ohne Knickungen eingeführt werden zu können; es sind keine Stützelemente erforderlich.

Die Ankopplung der Axialwellen an Scher-Biegewellen ist schwach; für den Parameter, der die Wechselwirkungslänge für konstruktives Überkoppeln von Schallenergie zwischen diesen Wellen findet man

Für eine derartige Ultraschallsonde geeignete Richtelemente beschreibt z. B. die US-PS 45 08 122, geeignete Wandler auf der Basis von Piezokeramiken findet man z. B. in der DE-OS 12 07 123.

Claims

1. Ultraschallsonde mit mindestens einem Ultraschall-Richtelement und mindestens einem Ultraschall-Wandler gekennzeichnet durch
wenigstens ein Ultraschall-Richtelement im Sondenkopf am distalen Ende der Sonde,
wenigstens einen Ultraschall-Wandler, der sich in einer Betriebseinheit am proximalen Ende der Sonde befindet,
wenigstens einen Schallwellenleiter, der Schallwellen mit einer Trägerfrequenz f₀ zwischen 450 kHz von 28 MHz übertragen kann, zur Übertragung der Schallwellen von dem(n) Ultraschall-Wandler(n) zu dem(n) Richtelement(en),
wobei der Durchmesser D eines Schallwellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt bzw. der Maximalwert D_max und der Minimalwert D_min der Sehne durch die Querschnittsfläche eines Schallwellenleiters mit nichtkreisförmigem Querschnitt zwischen 20 µm und 1000 µm liegt.

2. Ultraschallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Schallwellenleiters zwischen 8 cm und 5 m liegt.

3. Ultraschallsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter in einem flexiblen oder starren Sondenrohr liegt.

4. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter einen nichtkreisförmigem Querschnitt hat und das Verhältnis aus dem Maximalwert D_max zum Minimalwert D_min der vom Azimutwinkel ψ abhängigen Sehne D(ψ) durch die Querschnittsfläche mindestens 1,4 beträgt.

5. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter einen annähernd kreisförmigen Querschnitt hat und der Durchmesser kleiner als 800 µm ist.

6. Ultraschallsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Schallwellenleiters zwischen 60 und 600 µm liegt.

7. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für das Produkt aus dem Durchmesser D eines Schallwellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt bzw. dem Maximalwert D_max (dann gilt D=D_max) der Sehne durch die Querschnittsfläche eines Schallwellenleiters mit nichtkreisförmigem Querschnitt und der Trägerfrequenz f₀ der Schallwellen gilt: D · f₀ 7000 m/s, wenn der Schallwellenleiter aus Materialien besteht, deren Poissonzahl ν kleiner als 0,20 ist, und
D · f₀ 4200 m/s bei sonstigen Materialien,wenn Axialwellen übertragen werden sollen, und:D · f₀ 14 000 m/s für SWL auf Be-Basis,
D · f₀ 6100 m/s für SWL aus Kieselglas und
D · f₀ 5100 m/s für SWL aus sonstigen Materialien,wenn Torsionswellen übertragen werden sollen.

8. Ultraschallsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß D · f₀ 3000 m/s ist, wenn der Schallwellenleiter aus Materialien besteht, deren Poissonzahl ν kleiner als 0,20 ist, und
D · f₀ 1700 m/s ist bei sonstigen Materialien,wenn Axialwellen übertragen werden sollen, und:D · f₀ 8000 m/s ist für SWL auf Be-Basis,
D · f₀ 4200 m/s ist für SWL aus Kieselglas und
D · f₀ 3000 m/s ist für SWL aus sonstigen Materialien,wenn Torsionswellen übertragen werden sollen.

9. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter einen Durchmesser von maximal

- 250 µm aufweist, wenn er aus Ag, Au oder Pt-Legierungen besteht,
- 200 µm aufweist, wenn er aus W-, Fe- oder Stahl-Legierungen besteht,
- 300 µm aufweist, wenn er aus Al- oder Mg-Legierungen besteht, oder
- 300 µm aufweist, wenn er aus Ti-Legierungen besteht.

10. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter einen Durchmesser von maximal

- 80 µm aufweist, wenn er aus Fe- oder Stahl-Legierungen besteht,
- 50 µm aufweist, wenn er aus W-Legierungen besteht,
- 160 µm aufweist, wenn er aus Al- oder Mg-Legierungen besteht und
- 120 µm aufweist, wenn er aus Ti-Legierungen besteht oder
- 350 µm aufweist, wenn er aus Glas besteht.

11. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, für die Übertragungslänge L und der Trägerfrequenz f₀ die Bedingung L · f₀² K gilt, mit K = 7,0 · 10¹³ m/s² für Schallwellenleiter aus Ti-, W-, Al- oder Mg-Legierungen,
K = 2,2 · 20¹³ m/s² für Schallwellenleiter aus Ag, Au oder Pt-Legierungen,
K = 7,0 · 10¹² m/s² für Schallwellenleiter aus Fe- oder Stahl-Legierungen,
K = 8,0 · 10¹³ m/s² für Schallwellenleiter aus normalen Gläsern und
K = 1,0 · 10¹⁶ m/s² für Schallwellenleiter aus Kieselglas.

12. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, für die Übertragungslänge L und der Trägerfrequenz f₀ die Bedingung L · f₀² K gilt, mit K = 2,5 · 10¹² m/s² für Schallwellenleiter aus Ti- oder W-Legierungen,
K = 3,0 · 20¹² m/s² für Schallwellenleiter aus Al- oder Mg-Legierungen,
K = 0,7 · 10¹² m/s² für Schallwellenleiter aus Ag, Au oder Pt-Legierungen,
K = 1,4 · 10¹¹ m/s² für Schallwellenleiter aus Fe- oder Stahl-Legierungen,
K = 8,0 · 10¹¹ m/s² für Schallwellenleiter aus normalen Gläsern und
K = 1,0 · 10¹⁵ m/s² für Schallwellenleiter aus Kieselglas.

13. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, zur Übertragung von Axialwellen dadurch gekennzeichnet, daß für SWL auf Be-Basis daß für SWL auf Kieselglasbasis oder aus W-Legierungen und daß für SWL aus anderen Materialien gilt, wobei T_p die Impulsdauer der Schallimpulse, L die Länge des Schallwellenleiters, f₀ die Trägerfrequenz der Schallwellen und D den Durchmesser eines Schallwellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt bzw. den Minimalwert der Sehne durch die Querschnittsfläche bei einem Schallwellenleiter mit nichtkreisförmigem Querschnitt bezeichnet.

14. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, zur Übertragung von Axialwellen, dadurch gekennzeichnet, daß für SWL auf Be-Basis daß für SWL auf Kieselglasbasis oder aus W-Legierungen und daß für SWL aus sonstigen Materialien gilt, wobei T_p die Impulsdauer der Schallimpulse, L die Länge des Schallwellenleiters, f₀ die Trägerfrequenz der Schallwellen und D den Durchmesser eines Schallwellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt bzw. den Minimalwert der Sehne durch die Querschnittsfläche bei einem Schallwellenleiter mit nichtkreisförmigem Querschnitt bezeichnet.

14. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenleiter aus an sich bekanntem, dotiertem oder undotiertem Kieselglas besteht.

16. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, zur Übertragung von Axialwellen, dadurch gekennzeichnet, daß die laterale Bewegung des Schallwellenleiters durch Stützelemente eingeschränkt wird, für deren Abstand L_st längs der Schallwellenleiterachse gilt, wobei f₀ die Trägerfrequenz der Schallwellen und D der Durchmesser eines Schallwellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt bzw. der Minimalwert der Sehne durch die Querschnittsfläche bei einem Schallwellenleiter mit nichtkreisförmigem Querschnitt bezeichnet.

17. Ultraschallsonde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß für den Abstand der Stützelemente gilt, wobei f₀ die Trägerfrequenz der Schallwellen bezeichnet.

18. Ultraschallsonde nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente bei einem Schallwellenleiter mit nichtkreisförmigem Querschnitt so angeordnet sind, daß der Schallwellenleiter bei Biegungen um eine Achse gebogen wird, die annähernd parallel zur Richtung mit dem Maximalwert für die Sehne D(ψ) ist.

19. Ultraschallsonde nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß gilt, wobei T_p die Impulsdauer der Schallimpulse, f₀ die Trägerfrequenz der Schallwellen und D der Durchmesser eines Schallwellenleiters mit kreisförmigem Querschnitt bzw. der Minimalwert der Sehne durch die Querschnittsfläche bei einem Schallwellenleiter mit nichtkreisförmigem Querschnitt bezeichnet.